Warto wiedzieć

– niższe emisje, napędy alternatywne i paliwa odnawialne

Jak wyglądać będzie napęd samochodowy przyszłości – za pięć, dziesięć i dwadzieścia lat? Odpowiedź na to pytanie ma fundamentalne znaczenie dla firmy Bosch. Przez ponad 100 lat w dużym stopniu firma Bosch stanowiła o rozwoju rynku samochodowego. Doświadczenie to pozwoliło na opracowanie bardzo szerokiego, specjalistycznego know-how. W 2006 roku 62 proc. obrotów Grupy Bosch pochodziło ze sprzedaży techniki motoryzacyjnej. Bosch inwestuje odpowiednio duże kwoty w badania i rozwój technologii napędowych przyszłości. Normy emisji CO2, ochrona klimatu i środowiska oraz zmniejszające się zasoby paliw kopalnych dopiero niedawno stały się tematem debaty publicznej. We wszystkich tych obszarach silnie podkreśla się rolę motoryzacji i samochodów. Bosch już od dłuższego czasu zajmuje się tymi problemami. Firma dysponuje rozwiązaniami, które pozwolą spełnić wyzwania, jakie stawia przed nami przyszłość.

Silnik spalinowy: nadal duży potencjał rozwojowy
Już dziś wiemy, że za 20 lat silnik spalinowy nadal będzie typowym napędem samochodowym. Dzieje się tak dlatego, że nadal tkwi w nim ogromny potencjał rozwojowy. Jedyną, choć ogromną różnicą, jest to, że oprócz najpopularniejszej obecnie benzyny i oleju napędowego istnieć będzie więcej paliw alternatywnych. Napędy alternatywne będą również miały coraz większy udział w mniejszych segmentach rynku. Jak zatem wygląda rozkład jazdy Boscha na najbliższe 20 lat? Firma pracuje nad ewolucją samochodów na cztery różne sposoby:
- Inżynierowie Boscha odkrywają coraz nowszy potencjał silników spalinowych – potencjał, który nadal daleki jest od wyczerpania. Dotyczy to zarówno silników Diesla, jak i benzynowych.
- Nowe technologie dla silników spalinowych stanowią podstawę wykorzystania paliw alternatywnych, które produkowane są syntetycznie lub z surowców odnawialnych. Każdy, kto pracuje w tym obszarze, usiłuje pchnąć technologię w tym samym kierunku – dostawcy tacy jak my, konstruktorzy silników, przemysł chemiczny i inni.
- Koncepcje hybrydowe i technologia inteligentna w każdym aspekcie napędu pomogą samochodowi i silnikowi spalinowemu stać się coraz czystszym i coraz bardziej wydajnym.
- Po wielu etapach rozwoju i wykorzystania technologii przejściowych, widzimy w segmentach niszowych duże możliwości dla napędów elektrycznych wykorzystujących ogniwa paliwowe jako przetwornik energii. Są one dobrą alternatywą dla silników spalinowych.

Technologia Diesla – gotowość do wejścia na rynek amerykański i azjatycki
Przyjrzyjmy się silnikowi spalinowemu, a w szczególności silnikowi Diesla. Współczesne silniki Diesla z wtryskiem bezpośrednim zużywają około 30 proc. mniej paliwa niż podobne konwencjonalne silniki benzynowe, które działają w oparciu o systemy wtrysku wielopunktowego. Emisja CO2 jest więc o około 25 proc. niższa. Efektywność energetyczna Diesla sprawia, że jest bardziej przyjaznym dla środowiska systemem napędu pojazdów. Dlatego też zrobimy wszystko, co w naszej mocy, by silniki Diesla przyjęły się w Ameryce Północnej i Azji, po tym jak podbiły Europę.



Emisje CO2 nowo zarejestrowanych samochodów będą w dalszym ciągu maleć. Uda się to osiągnać dzięki optymalizacji koncepcji napędowych, alternatywnym koncepcjom napędowym oraz paliwom alternatywnym.


Przemysł samochodowy zapanował już nad kwestią emisji cząstek stałych z Diesla. Z drugiej strony, zoptymalizowana technologia wtryskowa pozwala obniżyć “emisję nie filtrowaną”, czyli ilość spalin przed oczyszczeniem w katalizatorze. Dodatkowy filtr cząstek stałych w układach Diesla obniża emisję sadzy do takiego stopnia, że w przyszłości możliwe będzie spełnienie nawet bardziej rygorystycznych limitów emisji. Od roku 2009 w portfolio produktów Boscha znajdzie się nowa generacja filtrów cząstek stałych Diesla, dzięki czemu firma stanie się dostawcą technologii Diesla i odpowiednich systemów uzdatniania spalin. Jednym z wyzwań rozwojowych, które stoją przed Boschem, są emisje tlenków azotu, czyli NOx. Wartości graniczne dla NOx w Stanach Zjednoczonych są już dziś bardzo rygorystyczne. Wyzwania, jakie stoją przed naszymi inżynierami, związane są również ze zmianą normy BIN 8 na BIN 5, którą wchodzi w życie od tego roku. Zamiast 200 miligramów tlenku azotu na milę, dopuszczalna wartość będzie teraz wynosiła 70 miligramów. W przeliczeniu na kilometry oznacza to spadek emisji z ok. 124 miligramów, do ok. 43 miligramów. Wartości dopuszczalnej emisji NOx są również coraz bardziej obniżane w Europie. Aktualny limit 250 miligramów na kilometr ma być początkowo obniżony do 180 miligramów, gdy w 2009 roku w życie wejdzie norma Euro 5. W momencie wprowadzenia normy Euro 6 w roku 2014, dopuszczalną wartością będzie 80 miligramów. Innymi słowy, dzisiejsza wartość graniczna zostanie zmniejszona o 70 proc. – do 1 proc. wartości, która dopuszczalna była 30 lat temu.



Dalszy rozwój systemu wtrysku bezpośredniego benzyny. Wtrysk bezpośredni benzyny stwarza szereg możliwosci technicznych dalszego wzrostu efektywności silników benzynowych.


Rozwiązania technologiczne dla coraz bardziej rygorystycznych limitów emisji
Inżynierowie Boscha myślą już intensywnie nad tymi celami i w odpowiedniej chwili firma będzie mogła zaoferować właściwe rozwiązania, nawet dla tak wymagających wartości limitów, jak to przedstawiono powyżej. Bosch osiągnie te cele, opracowując określone technologie dotyczące pracy silnika, które w dalszym stopniu zoptymalizują proces spalania, np.
- wyższe ciśnienie powietrza w turbosprężarce spalin z większą proporcją recyrkulowanego gazu przy częściowym obciążeniu;
- o ponad 500 barów wyższe ciśnienie wtrysku przy częściowym obciążeniu;
- jeszcze bardziej elastyczny proces wtrysku; do ośmiu wtrysków na cykl pracy.

Takie rozwiązania techniczne przyniosły już bardzo dobre rezultaty w silnikach samochodów ciężarowych. Obniżają one znacznie emisję NOx i cząstek stałych we wszystkich warunkach drogowych. Korzyści te zostaną przeniesione do silników Diesla stosowanych w samochodach osobowych. Już dzisiaj badany jest także potencjał oszczędności związanych z nowymi technologiami. Inżynierowie mogą obecnie budować mniejsze silniki, nie obniżając ich wydajności ani momentu obrotowego. Koncepcja ta nosi nazwę Downsizing. Mniejsza pojemność skokowa i mniejsza liczba cylindrów zapewniają mniejsze straty spowodowane tarciem, a co za tym idzie, wyższą wydajność. Przy tym samym poziomie momentu obrotowego, zmniejszenie pojemności skokowej o 25 proc. pozwala obniżyć zużycie paliwa o około 10 proc. A mniejsze zużycie paliwa automatycznie oznacza niższą emisję CO2. Dwie z tych innowacji są szczególnie ważne dla tego rozwoju: wtryskiwacze piezoelektryczne o ciśnieniu wtrysku do 2000 barów i zoptymalizowane wtryskiwacze z zaworami elektromagnetycznymi. Wtryskiwacze z zaworami elektromagnetycznymi podobne są pod względem wydajności do wtryskiwaczy piezoelektrycznych i zaprojektowane są w taki sposób, aby mogły pracować przy ciśnieniu wtrysku przekraczającym 2000 barów. Nasza nowa pompa wysokiego ciśnienia Common Rail CP4 pracuje przy ciśnieniu ponad 2000 barów. Od roku 2006 Bosch produkuje seryjnie pompę pracującą przy ciśnieniu do 1800 barów, a w tym roku zostanie wprowadzona pompa w wersji przystosowanej do ciśnień przekraczających 2000 barów. Pompa ma za zadanie osiągnąć możliwie najwyższą wydajność hydrauliczną. Wspomaga ona proces spalania, dostarczając niezwykle wysokiego ciśnienia wtrysku przy średnich prędkościach obrotowych i obciążeniach silnika. Po roku 2014 wiele samochodów osobowych z silnikiem Diesla wykorzystujących tę technologię będzie w stanie spełnić wymagania normy Euro 6, nawet bez konieczności zakładania dodatkowych systemów redukcji NOx w spalinach. Jednak redukcja NOx w spalinach jest koniecznością w przypadku cięższych pojazdów i jeszcze bardziej rygorystycznych limitów obowiązujących w Stanach Zjednoczonych. Jak widać więc, w zakresie technologii Diesla Bosch pracuje równie intensywnie nad stałym rozwojem systemów wtrysku, co nad komponentami i systemami uzdatniania spalin.

Denoxtronic: obniżenie emisji NOx
Podczas tych prac wykorzystywane jest doświadczenie Boscha w sektorze pojazdów ciężarowych. Wprowadzony w 2004 roku Bosch Denoxtronic okazał się niezwykle skuteczny w obniżaniu emisji tlenków azotu. System wtryskuje ciekły mocznik – znany pod nazwą handlową Adblue – do układu wydechowego. W leżącym dalej katalizatorze spalin SCR (Selective Catalytic Reduction), Adblue reaguje z tlenkiem azotu zawartym w spalinach, a w wyniku zachodzącej reakcji powstaje nieszkodliwa para wodna i azot. Obecnie system ten umożliwia producentom pojazdów ciężarowych osiągnięcie konwersji NOx na poziomie ponad 80 proc. Aby zapewnić alternatywę dla katalizatorów spalin NOx, Bosch pracuje aktualnie nad zaadaptowaniem technologii Denoxtronic do wymagań samochodów osobowych. Nowy system zostanie wprowadzony na amerykański rynek w przyszłym roku, kiedy to Audi, BMW, Mercedes i Volkswagen wprowadzą pojazdy z czystymi silnikami Diesla wykorzystującymi technologię Bosch Denoxtronic. Bosch trzyma w zanadrzu kolejną innowację oczekującą na wprowadzenie do silników Diesla. Wspólnie z firmą Denso pracuje nad filtrem cząstek stałych wykonanym z kordierytowej masy ceramicznej, która jest łatwiejsza w obróbce niż węglik krzemu stosowany w konwencjonalnych filtrach cząstek stałych. Ceramika kordierytowa udowodniła już swoją przydatność w katalizatorach spalin, oferując wiele zalet. Filtr ten obniża zużycie nadmiernych ilości paliwa, a co więcej, spada koszt produkcji filtrów. Chcielibyśmy, by nowa generacja filtrów gotowa była do produkcji seryjnej w 2009 roku – byłby to odpowiedni moment, by zaspokoić zwiększony popyt stymulowany bardziej rygorystycznymi limitami emisji. Silniki Diesla będą nadal odgrywać poważną rolę w redukcji emisji CO2 wynikającej z transportu drogowego. Boschowskie nowe technologie Diesla spełniają nawet najbardziej rygorystyczne limity emisji. Ale silniki benzynowe również mają swój wkład w poprawę stanu powietrza, a wtrysk bezpośredni znów staje się główną technologią pozwalającą na dalsze obniżenie zużycia paliwa i emisji CO2.

Silnik benzynowy uczy się od Diesla
Już dziesięć lat temu producenci samochodów wprowadzili na rynek pierwsze silniki benzynowe z wtryskiem bezpośrednim i uwarstwionym, kierowanym na ściankę tłoka, strumieniem paliwa dającym w efekcie lepsze spalanie. Ale przełom w dziedzinie technologii wtrysku bezpośredniego nastąpił dopiero w 2004 roku, gdy do produkcji weszły silniki z turbodoładowaniem. Silniki oparte na tej konstrukcji dostarczają wysokiego momentu obrotowego 150 do 200 Nm na 1 litr pojemności skokowej nawet przy małych prędkościach obrotowych silnika, łącząc w ten sposób odpowiednią wydajność ze znacznie niższym zużyciem paliwa. Ponieważ silniki te wykazują jednorodne spalanie, nie wymagają katalizatora spalin NOx. Bazą techniczną były w tym przypadku produkowane przez Boscha układy wtryskowe DI-Motronic drugiej generacji. Wśród podstawowych cech systemu wymienić można wielootworowe wtryskiwacze, które zapewniają konstruktorom silników elastyczność przy projektowaniu napędów, ciśnienie wtrysku podwyższone do 150 barów i kompaktową jednocylindrową pompę wysokociśnieniową.

Bezpośredni wtrysk benzyny jako podstawa Downsizingu
Technologia wtrysku bezpośredniego DI-Motronic drugiej generacji jest rozwiązaniem, które wprowadza więcej świeżego powietrza do cylindra przy niskich szybkościach silnika, a tym samym dostarcza dużego momentu obrotowego. Proces taki określany jest mianem przedmuchu (Scavenging). W czasie tego procesu DI-Motronic reguluje otwieranie się zaworu wlotowego i wylotowego w taki sposób, aby były one przez chwilę otwarte równocześnie. Powoduje to powstanie przewiewu w komorze spalania, co zapewnia dopływ większej ilości świeżego powietrza do cylindrów. Paliwo wtryskiwane jest bezpośrednio dopiero po zamknięciu zaworów przez DI-Motronic. Paliwo nie dociera do układu wydechowego, a emisja zanieczyszczeń jest ograniczona. Technologia ta, zastosowana w połączeniu ze zmniejszoną pojemnością skokową, pozwala na zmniejszenie emisji CO2 o 10 do 12 proc. Nowe pojazdy napędzane benzyną spełniają nawet najbardziej rygorystyczne amerykańskie wymagania dotyczące emisji spalin dla pojazdów o wyjątkowo niskiej emisji spalin (Super Ultra Low Emission Vehicles). Co więcej, zapewniają one również odpowiednią ekonomikę zużycia paliwa. Dlatego Bosch widzi duże szanse dla rozwoju technologii bezpośredniego wtrysku benzyny w Stanach Zjednoczonych, a także oczekuje szybkiego tempa wzrostu sprzedaży tych układów. Chociaż w roku 2006 bezpośredni wtrysk benzyny stanowił mniej niż jeden proc. rynku NAFTA, Bosch szacuje, że w 2015 będzie to ponad dziesięć proc. Równocześnie z wprowadzeniem wielootworowego wtryskiwacza o ciśnieniu roboczym 150 barów, w 2006 roku Bosch stał się pierwszym dostawcą wtryskiwacza piezoelektrycznego o ciśnieniu 200 barów z iglicą, która otwiera się na zewnątrz – takie rozwiązanie zostało zastosowane w modelu Mercedes CLS 350 CGI. Opisany wtryskiwacz umożliwia producentom samochodów wykorzystanie innowacyjnego “strumieniowego procesu spalania” w zakresie częściowych obciążeń. Proces ten obniża zużycie paliwa o około 15 proc. oraz redukuje emisję CO2 w porównaniu do rozgałęzionych wtryskiwaczy wielopunktowych. Ponieważ technologia piezoelektryczna jest skomplikowana i kosztowna, inżynierowie Boscha pracują już nad rozwiązaniem alternatywnym. Ich celem jest osiągnięcie kierowanego strumieniowo procesu spalania w technologii Flex Fuel (czyli zasilaniu różnymi rodzajami paliwa, np. benzyną, etanolem lub gazem ziemnym), również z wykorzystaniem regulowanego elektromagnetycznie wielootworowego wtryskiwacza. Opracowując i wykorzystując alternatywy dla paliw konwencjonalnych, zmniejszymy naszą zależność od importu nieprzetworzonej ropy, zachowamy pozostałe zasoby naturalne i jednocześnie poprawimy bilans CO2. Ten cel uda się Boschowi osiągnąć tylko wtedy, gdy firma przyjrzy się dokładnie całemu łańcuchowi dostaw, od “źródła aż do koła” (Well-to-Wheel). Przykładowo, wykorzystanie gazu ziemnego jako surowca powoduje 25-proc. obniżenie emisji CO2.

Alternatywy dla benzyny i oleju napędowego obniżają emisję CO2
Jeszcze lepsze wartości udaje nam się uzyskać dzięki zastosowaniu biopaliw. Boschowi udało się już obniżyć emisję CO2 aż o 70 proc. poprzez zastosowanie biopaliw pierwszej generacji, przy których produkcji wykorzystuje się jedynie nasiona roślin. Biopaliwa drugiej generacji obniżają emisję CO2 nawet o 90 proc., a ich wytworzenie polega na przerobieniu całej rośliny na etanol lub syntetyczny biodiesel. Firma Bosch ma już pełną technologię wtrysku dla wielu paliw alternatywnych, takich jak sprężony gaz ziemny (CNG) i benzyna o wysokiej zawartości etanolu, na przykład E85 lub Flex Fuel. Wiele samochodów osobowych, które wykorzystują technologię wtrysku Flex Fuel sprzedawanych jest już dziś w Brazylii. Pojazdy te mogą być zasilane zarówno benzyną, jak i etanolem. Jednocześnie w Europie konwencjonalny olej napędowy miesza się z coraz większymi ilościami biodiesla i syntetycznego oleju napędowego wytwarzanego z gazu ziemnego, a z kolei do benzyny dodaje się etanol. Prowadzi to do obniżenia emisji CO2 nie tylko w nowych pojazdach, które wyposażone są w odpowiednią technologię, ale również w obecnie poruszających się po drogach pojazdach.



Elementy systemu sterowania napędem hybrydowym. Dla systemów hybrydowych Bosch opracowuje komponenty oraz kompletne systemy.




Przyszłe normy emisji spalin można osiągnać dzięki optymalizacji procesu spalania oraz uzdatnianiu spalin.




Dalszy rozwój systemów wtrysku bezpośredniego Common Rail do silników Diesla.
Wyższe ciśnienia wtrysku i jeszcze bardziej elastyczny proces wtrysku sprawia, że silniki Diesla stana się jeszcze efektywniejsze i czystsze.




Oprócz konwencjonalnego silnika benzynowego istnieje szereg koncepcji napędowych, które w różnym stopniu wpływają na zmniejszenie emisji CO2.


Efektywność energetyczna dzięki sterowaniu dodatkowymi agregatami
Jednym z podstawowych elementów układu napędowego będzie wykorzystanie dodatkowych systemów elektrycznych, w przypadku których inżynierowie Boscha walczą o każdy dodatkowy punkt procentowy zwiększonej, osiąganej w ekonomiczny sposób wydajności. Przykładem może być nowy system Start-Stop, który wyłącza silnik spalinowy, gdy pojazd stoi w korku ulicznym lub na czerwonym świetle. Gdy tylko kierowca naciśnie pedał sprzęgła, by wrzucić bieg, system automatycznie uruchamia silnik. Elektronika czuwa nad tym, by kierowca oszczędzał paliwo i by emisja CO2 zmniejszyła się bez uszczerbku dla komfortu jazdy. W zależności od pojazdu, oszczędności te mogą stanowić nawet 8 proc. w cyklu miejskim. System zostanie zastosowany po raz pierwszy w nowym BMW serii 1. Inżynierowie Boscha pracują również nad wydajnością alternatora. Zoptymalizowany alternator firmy Bosch może zmniejszyć zużycie paliwa o 1 do 2 proc. Inteligentna regulacja pracy alternatora polega na tym, że pewna część energii wytworzonej przy naciśnięciu hamulca może być wykorzystana do naładowania akumulatora. Pomaga to oszczędzić 2 do 3 proc. paliwa i zmniejszyć emisję CO2.

Koncepcja hybrydowa dostosowana do ruchu miejskiego
Koncepcja hybrydowa Boscha posiada jeszcze większy potencjał redukcji emisji CO2. W porównaniu do silników konwencjonalnych benzynowy system hybrydowy może osiągnąć oszczędność około 25 proc., a hybrydowy system Diesla – około 40 proc. Możliwy do osiągnięcia poziom oszczędności zależy od wielu czynników, w szczególności od:
- wydajności zainstalowanego napędu elektrycznego;
- konstrukcji – równoległej lub z rozdziałem momentu obrotowego;
- oraz, co ma podstawowe znaczenie, efektywności silnika spalinowego.

Jeśli konstrukcje hybrydowe mają odnieść sukces, bardzo istotne jest to, by zaakceptowali je konsumenci. Silny napęd hybrydowy (Strong Hybrid) ma tu najwięcej do zaoferowania. Napęd elektryczny sprawuje się wystarczająco dobrze, by można go było wykorzystać w układzie czysto elektrycznym, na krótkich odcinkach jazdy. Zapewnia on jednocześnie niezawodne wsparcie silnika spalinowego w przerywanym cyklu miejskim Stop&Go. Firma Bosch pracuje nad napędami elektrycznymi od ponad 30 lat. Dlatego też uważa się za ekspertów w dziedzinie rozwiązań systemowych i komponentów. Prawdopodobnie już w przyszłym roku Bosch będzie gotowy na dostarczenie technologii hybrydowej do w samochodach Volkswagen, Audi i Porsche. W najodleglejszej wizji przyszłości firma widzi również zastosowanie ogniwa paliwowego jako przetwornika energii. Teraz wydaje się, że najbliższe osiągnięcia ostatecznego celu, jakim jest nieszkodliwy dla środowiska napęd samochodowy, jest zastosowanie produkowanego w sposób odnawialny wodoru jako paliwa oraz elektrycznych silników napędowych. Mimo to, inżynierowie Boscha są zdania, że pod względem ekonomiki zastosowania napędu wodorowego nadal należy pokonać poważne przeszkody technologiczne, które są związane z przedłużeniem żywotności ogniw paliwowych i przechowywaniem wodoru. Dlatego też w ciągu następnych 20 lat ogniwa paliwowe będą w stanie zastąpić silniki spalinowe jedynie w niszowych obszarach rynku motoryzacyjnego. Warto jednak podkreślić, że inżynierowie Boscha pracują nad tym i produkują już elementy do prototypowych pojazdów zasilanych ogniwami paliwowymi. Dysponując bogatym portfolio technologii dla wszystkich elementów układu napędowego oraz licznymi projektami, które optymalizują zużycie paliwa i zredukowanie ilości emitowanego CO2, Bosch jest dobrze przygotowany do przyszłych wydarzeń na rynku samochodowym. Do roku 2020 silniki spalinowe z udoskonalonymi systemami wtrysku bezpośredniego nadal będą dominować wśród systemów napędowych dla samochodów. Producenci samochodów i ich dostawcy będą usilnie pracować nad dalszym zwiększeniem skuteczności wykorzystania energii w układach napędowych oraz nad zredukowaniem emisji CO2. Kolejne przygotowywane innowacje technologiczne umożliwią przemysłowi samochodowemu spełnienie coraz bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących limitów emisji gazów wydechowych. Napędy alternatywne, takie jak napędy hybrydowy, w znacznym stopniu przyczynią się do zmniejszenia emisji CO2 w określonych cyklach jazdy. Oprócz tego, stwarzamy warunki technologiczne, które umożliwią wykorzystanie paliw alternatywnych w silnikach, szczególnie dotyczy to biopaliw ze źródeł odnawialnych, co przyczyni się do poprawy bilansu CO2.



Dr Rolf Leonhard,
przewodniczący zarządu działu Diesel Systems
(Systemy do silników Diesla),
odpowiedzialny za badania i rozwój
Robert Bosch GmbH